Solarzellen können nach verschiedenen Verfahren hergestellt werden.

Das Grundmaterial Silizium ist das zweithäufigste chemische Element, das in der Erdkruste vorkommt. Es liegt meist als Quarzsand vor. Aus diesem kann in einem Hochofenprozess Rohsilizium mit Verunreinigungen von circa 1  Prozent hergestellt werden. Dieser Prozess ist sehr energieaufwändig. Dennoch können die heute benutzten Solarzellen die für ihre Produktion erforderliche Energiemenge innerhalb von 1,5 bis 7 Jahren (je nach Bauart) wieder erzeugen, haben also eine positive Energiebilanz. Aus dem Rohsilizium wird dann über einen mehrstufigen Prozess polykristallines Reinstsilizium hergestellt. Die bis heute (2003) hier angewendeten Verfahren sind für die Elektronikindustrie optimiert und bieten für die geforderte Reinheit von Solarsilizium, die wesentlich niedriger liegt als bei Elektronikanwendungen benötigt, noch deutliches Kostenreduktionspotential . Hier wird zur Zeit intensiv geforscht.

Das nun vorhandene Reinstsilizium kann auf sehr unterschiedliche Arten weiterverarbeitet werden. Für polykristalline Zellen kommen größtenteils das Gießverfahren, das Bridgman-Verfahren und das Bandzieh-Verfahren (EFG-Verfahren) zu dem Einsatz. Monokristalline Zellen werden fast stets nachdem Czochralski-Verfahren hergestellt. Bei allen Verfahren gilt, dass die Dotierung mit Bor (siehe unten ) schon beim Herstellen der Blöcke beziehungsweise Säulen vorgenommen wird.

Das Gießverfahren dient zur Herstellung von polykristallinem Silizium. Das Reinstsilizium wird in einem Tiegel mit Hilfe einer Induktionsheizung aufgeschmolzen und dann langsam in eine quadratische Wanne gegossen, in der es nun langsam erstarrt. Die Kantenlänge der Wanne beträgt etwa 50 cm, die Höhe der erstarrten Schmelze etwa 30 cm. Der große Block wird in mehrere Säulen von etwa 30 cm Länge zerteilt, es kann mit einer Ausbeute von etwa 70 Prozent gerechnet werden.

Das Bridgman-Verfahren dient ebenfalls zur Herstellung von polykristallinem Silizium. Das Reinstsilizium wird hier ebenfalls in einem Tiegel mit Hilfe einer Induktionsheizung aufgeschmolzen. Die langsame Abkühlung der Schmelze, bei der sich große Zonen gleichgerichteter Kristallgitter ausbilden, findet hier in dem gleichen Tiegel statt. Die geheizte Zone wird langsam von unten nach oben in dem Tiegel angehoben, so dass sich oben bis zu dem Schluss flüssiges Silizium befindet, während vom Tiegelboden her das Erstarren erfolgt. Hier sind die Kantenlängen etwas größer als beim Gießverfahren (etwa 60 bis 70 cm), die Höhe des Blocks beträgt etwa 20 bis 25 cm. Der große Block wird ebenfalls in mehrere Säulen von etwa 20 bis 25 cm Länge zerteilt, bei einer Ausbeute von etwa 60 %.

Bei EFG-Verfahren (Edge-defined Film-fed Growth) lässt man aus Reinstsilizium achteckige Röhren von etwa 5,6 m Länge nach unten wachsen. Die Kantenlänge der einzelnen Seiten beträgt 10 cm, die Wandstärke 280 µm. Nach Fertigstellung der Röhre wird diese entlang der Kanten mit NdYAG-Lasern geschnitten und in einem bestimmten Raster dann über die Breite der jeweiligen Seite. Daraus ergibt sich die Möglichkeit der Herstellung von Zellen mit unterschiedlichen Kantenlängen (zum Beispiel 10 x 15 cm oder 10 x 10 cm). Es wird eine Ausbeute von etwa 80 Prozent des Ausgangsmaterials erzielt. Bei den so erzeugten Zellen handelt es sich ebenfalls um polykristallines Material, welche sich vom Aussehen her deutlich von den gesägten Zellen unterscheidet. Unter anderem ist die Oberfläche der Zellen welliger. Dieses Verfahren wird auch Bandzieh-Verfahren genannt.

Das Czochralski-Verfahren wird für die Herstellung von langen monokristallinen Säulen genutzt. Vor der Herstellung der Zellen wird die entstandene zylindrische Säule noch quadratisch zurechtgeschnitten.

Das Zonenschmelzverfahren dient auch der Herstellung monokristalliner Siliziumsäulen. Die bei diesem Verfahren erzielte Reinheit ist in dem Normalfall höher als für die Solartechnik benötigt und auch mit sehr hohen Kosten verbunden. Darum wird diese Technik für die Solartechnik eher selten benutzt.=== Waferherstellung ===

Die jeweiligen Säulen werden nun mit einem Drahtsägeverfahren in Scheiben, die so genannten Wafer, gesägt. Dabei entsteht aus einem großen Teil des Siliziums Sägestaub, der gereinigt und wieder eingeschmolzen werden kann. Die Dicke der entstehenden Scheiben liegt bei circa 0,25 bis 0,3 mm.

Eine weitere Quelle für Wafer ist der Ausschuss an Rohlingen für die Herstellung von integrierten Schaltkreisen der Computerindustrie. Sind die Rohlinge dort zur Weiterverarbeitung nicht geeignet, können sie teilweise noch als Solarzelle benutzt werden.

Die monokristallinen Zellen zeichnen sich durch eine homogene Oberfläche aus, während bei den polykristallinen Zellen gut die einzelnen Zonen mit verschiedener Kristallorientierung unterschieden werden können. Sie bilden ein eisblumenartiges Muster auf der Oberfläche. Zu diesem Zeitpunkt sind Vorder- und Rückseite der Zelle noch nicht festgelegt.=== Waferprozessierung ===

Die gesägten Wafer durchlaufen nun noch mehrere chemischen Bäder, um Sägeschäden zu beheben und eine Oberfläche auszubilden, die geeignet ist, Licht einzufangen. Hier gibt es verschiedene, herstellerspezifische Konzepte.

Im Normalfall sind die Wafer schon mit einer Grunddotierung mit Bor versehen. Diese bewirkt, dass es überschüssige freie Löcher (positive Ladungen) gibt, das heißt, es können Elektronen eingefangen werden. Dies wird auch p-Dotierung genannt. Auf dem Weg zur fertigen Solarzelle mit p-n-Übergang muss nun die Oberfläche noch eine n-Dotierung bekommen, was durch Prozessierung der Zelle in einem Ofen in einer Phosphor-Atmosphäre geschieht. Die Phosphoratome schaffen eine Zone mit Elektronenüberschuss auf der Zelloberfläche die etwa 1 µm tief ist.

Als nächster Schritt werden die Zellen mit einer Antireflexionsschicht aus SiN_x oder TiO₂ versehen.

Danach erfolgt die Bedruckung der Zelle mit den notwendigen Lötzonen und der Struktur, welche für den besseren Abgriff des generierten elektrischen Stroms sorgt. Die Vorderseite erhält meist zwei breitere Streifen, auf denen später die Bändchen zu dem Verbinden mehrerer Zellen befestigt werden. Außerdem wird ein sehr dünnes, elektrisch gut leitendes Raster aufgebracht, was einerseits den Lichteinfall so wenig wie möglich behindern soll, andererseits die Ladungsträger so schnell wie möglich einsammeln soll, damit der ohmsche Widerstand so klein wie möglich ist. Die Rückseite wird meist vollflächig mit einem gut leitenden Material beschichtet.

Nach der Prozessierung werden die Zellen nach optischen und elektrischen Merkmalen klassifiziert, sortiert und für die Modulproduktion ausgeliefert.

Die Dünnschichtzellen werden in dem Gegensatz zu den bisher beschriebenen Zellen meist durch Abscheiden aus der Gasphase direkt auf einem Trägermaterial aufgebracht. Dies kann Glas, Metallblech, Kunststoff oder auch ein anderes Material sein. Der Materialeinsatz ist sehr klein, während die Kombinationen der Halbleiter so gewählt sind, dass trotzdem ein recht hoher Wirkungsgrad entsteht. Noch sind die Wirkungsgrade für großtechnische Anwendung niedriger als bei der konventionellen Technik, und die Haltbarkeit der Zellen im Dauereinsatz muss erst noch bewiesen werden. Durch technologische Fortschritte, den kleinen Materialeinsatz und das große Feld der möglichen Trägermaterialien hofft man, in Zukunft eine kostengünstige Herstellung zu ermöglichen, so dass diese Technik auf lange Sicht die sehr kostenintensive Dickschichttechnik ersetzen kann. Mögliche Materialien sind zu dem Beispiel amorphes Silizium (a-Si), Gallium-Arsenid (GaAs), Cadmium-Tellurid (CdTe) oder Kupfer-Indium-Gallium-Schwefel-Selen-Verbindungen (CIS, oder CIGS, wobei hier S für Schwefel oder Selen stehen kann, je nach Zelltyp).

Dieser Zelltyp ist auch bekannt als Grätzel-Zelle. Bei diesem Zelltyp wird der Strom anders als bei den bisher aufgeführten Zellen über die Lichtabsorption eines Farbstoffes gewonnen. Es wird organischer Farbstoff (zum Beispiel der Blattfarbstoff Chlorophyll) als Lichtakzeptor benutzt. Die Funktionsweise der Zelle ist noch nicht in dem Detail geklärt, die kommerzielle Anwendung gilt als recht sicher, ist aber produktionstechnisch noch nicht in Sicht.

Hierbei handelt es sich eigentlich um einen Kollektor für Solarstrahlung, eine Beschreibung findet sich beim Thema Solarmodul.

Schon 1836 erkannte Alexandre Edmond Becquerel, dass eine Batterie die von der Sonne beschienen wird, eine größere Leistung hervorbrachte, als eine ohne Sonnenbestrahlung. Er nutzte den Potentialunterschied (Säurebad mit belichtetem und unbelichtetem Teil) zwischen einer verdunkelten und einer belichteten Seite einer chemischen Lösung, in den er zwei Platinelektroden eintauchte. Als er nun diese Konstruktion in die Sonne stellte, beobachtete er, dass ein Strom zwischen den zwei Elektroden entstand. So entdeckte er den photovoltaischen Effekt, konnte ihn allerdings noch nicht erklären. Das global erste Patent für eine Solaranlage wurde 1891 an den Metallfabrikanten Clarence M. Kemp aus Baltimore vergeben. Hierbei handelte es sich um einen einfachen Wärmekollektor für Warmwasser. Strom konnte mit einem solchen Gerät allerdings nicht gewonnen werden. 1904 entdeckte der deutsche Physiker Philipp Lenard, dass Lichtstrahlen beim Auftreffen auf bestimmte Metalle Elektronen aus deren Oberfläche herauslösen und lieferte damit die ersten Erklärungen für den Photoeffekt. Doch er wusste noch nicht genau, warum dies passiert und bei welchen Metallen es geschieht. Dennoch erhielt er für seine Entdeckung, 1905 den Physiknobelpreis. Den endgültigen Durchbruch schaffte 1905 Albert Einstein, als er mit Hilfe der Quantentheorie die gleichzeitige Existenz des Lichts sowohl als Welle, als auch als auch als Teilchen erklären konnte. Bis dahin glaubte man, dass Licht ca. als eine Energie mit unterschiedlicher Wellenlänge auftritt. Doch Einstein stellte in seinen Versuchen, die Photovoltaik zu erklären, fest, dass sich Licht in manchen Situationen exakt so wie ein Teilchen verhält, und dass die Energie jedes Lichtteilchen oder Photons ca. von der Wellenlänge des Lichts abhängt. Er beschrieb das Licht als eine Ansammlung von Geschossen, die auf das Metall treffen. Wenn diese Geschosse genügend Energie besitzen, wird ein freies Elektron, das sich in dem Metall befindet und von einem Photon getroffen wird, vom Metall gelöst. Außerdem entdeckte er, dass die maximale Energie, die abgegeben wird, von der Stärke des Lichtes unabhängig ist und ca. von der Energie abhängt, die ein auftreffendes Photon abgibt. Diese Energie hängt wiederum ca. von der Wellenlänge und der Frequenz des Lichtes ab. Für seine Arbeit zur Photovoltaik erhielt er 1921 den Nobelpreis für Physik.

Die Entdeckung des p-n-Übergangs in dem Jahre 1949 durch William B. Shockley, Walther H. Brattain und John Bardeen war ein weiterer großer Schritt zur Solarzelle in ihrer heutigen Form. Nach diesen Entdeckungen stand dem Bau einer Solarzelle in ihrer heutigen Form nichts mehr entgegen. Es ist jedoch einem glücklichen Zufall zu verdanken, dass diese erste Solarzelle 1954 in den Laboratorien der amerikanischen Firma Bell gebaut wurde. Die Mitarbeiter der Firma beobachteten, als sie einen Gleichrichter, der mit Hilfe von Silizium arbeitete, behandelten, dass dieser mehr Strom lieferte, wenn er in der Sonne stand, als wenn er zugedeckt war. Die Firma Bell entwickelte so die ersten Solarzellen. Diese hatten allerdings ca. einen Wirkungsgrad von 4 Prozent - 6%. Schon 1958 wurden die Solarzellen auf Satelliten getestet. Die dort erzielten Ergebnisse waren grandios. Es wurden Wirkungsgrade bis 10,5 Prozent berechnet. Diese Ergebnisse waren jedoch nicht auf die Verhältnisse auf der Erdoberfläche übertragbar, da in dem Weltraum die natürliche Sonnenstrahlung keinen Tag-Nacht- Rhythmen und keiner Absorption durch Wolkendecken und Atmosphäre unterliegt. Seit dieser Zeit versucht die Industrie, stets größere Wirkungsgrade zu erreichen. Zellen mit einem Wirkungsgrad von 17 Prozent kann man bereits kaufen, wobei Alterungseffeke die Leistung reduzieren (in 10 Jahren Abfall auf ??%). Labormuster sollen nahe an den theoretischen Wirkungsgrad von etwa 30 Prozent herangekommen sein.

Bis gegen Ende der 90er Jahre des zwanzigsten Jahrhunderts waren Zellen mit etwa 100 mm Kantenlänge (im Fachjargon auch Vier-Zoll-Zellen genannt) die üblichste Baugröße. Danach wurden auch Fünf-Zoll-Zellen verstärkt eingeführt und seit etwa 2002 sind auch Sechs-Zoll-Zellen (Kantenlänge etwa 150 mm) für Standardmodule eine gängige Größe.

Zu Beginn der Kommerzialisierung der Solartechnik wurden häufig runde Zellen eingesetzt, deren Ursprung von den meist runden Siliziumsäulen der Computerindustrie herrührt. Inzwischen ist diese Zellenform relativ selten und es werden quadratische Zellen, oder fast quadratische mit mehr oder weniger abgeschrägten Ecken, eingesetzt.

Durch Sägen der fertig prozessierten Zellen entstehen für spezielle Anwendungen in dem Kleingerätebereich auch Zellen mit kleineren Kantenlängen. Sie liefern annähernd die gleiche Spannung wie die großen Zellen, jedoch entsprechend der kleineren Fläche einen kleineren Strom.

Im EFG-Verfahren werden auch Zellen hergestellt, bei denen die Seiten des entstehenden Rechtecks nicht die gleichen Längen haben.

Die Kenngrößen einer Solarzelle werden für normierte Bedingungen (STC, Standard Test Conditions) angegeben (Einstrahlungstärke von 1 Tausend W/m² in Modulebene, Temperatur der Solarzelle 25°C konstant, Strahlungspektrum AM 1,5 global; DIN EN 61215, IEC 1215, DIN EN 60904, IEC 904). Hierbei steht AM 1,5 global für den Begriff Air Mass, die 1,5 dafür, das die Sonnenstrahlen hierbei das 1,5-fache der Atmosphärenhöhe durchlaufen, weil sie schräg auftreffen. Dadurch verschiebt sich auch das Spektrum des auf das Modul treffenden Lichtes. "Global" steht für Globalstrahlung, die sich aus dem Diffus- und dem Direktstrahlungsanteil der Sonne zusammensetzt.

Hierbei ist zu beachten, dass in der Realität insbesondere die Zelltemperatur bei einer solchen Einstrahlung, die in Deutschland ca. an wenigen Tagen mittags erreicht wird, bei normalem Betrieb wesentlich höher liegt (je nach Anbringung, Windanströmung etc. kann sie zwischen etwa 30 und 60 °C liegen). Aus diesem Grund wurde auch eine weitere Bezugsgröße geschaffen, P_NOCT, die Leistung bei normaler Betriebstemperatur (normal operating cell temperature).

Kennlinie (Strom/ Spannung) einer Solarzelle beleuchtet und unbeleuchtet

gebräuchliche Abkürzungen für die Nennungen sind

• SC: Short Circuit - Kurzschluss
• OC: Open Circuit - Leerlauf
• MPP: Maximum Power Point - Betriebspunkt maximaler LeistungDie Kennwerte einer Solarzelle sind

• Leerlaufspannung U_OC
• Kurzschlussstrom I_SC
• Spannung in dem bestmöglichen Betriebspunkt U_MPP
• Strom in dem bestmöglichen Betriebspunkt I_MPP
• Leistung in dem bestmöglichen Betriebspunkt P_MPP
• Füllfaktor FF
• Koeffizient für die Leistungsänderung mit der Zelltemperatur
• Zellwirkungsgrad η

Man kann also erwarten, dass Solarzellen eine Leistung (Physik) von sehr grob 160 W/m² abgeben.

Solarzellen kann man nach verschiedenen Kriterien einordnen. Das gängigste Kriterium ist die Materialdicke. Hier wird nach Dickschicht- und Dünnschichtzellen unterschieden. Ein weiteres Kriterium ist das Material: es werden zu dem Beispiel CdTe, GaAs, CuInSe eingesetzt, global am häufigsten jedoch Silizium. Die Atomstruktur kann kristallin oder amorph sein. Amorphe Materialien haben keine einheitliche Gitterstruktur. Nach der benutzten Technik bei der Fertigung der Zelle aus dem Wafer unterscheidet man verschiedene Oberflächenstrukturierungen und Anordnungen der Zellenkontaktierung. In der Dünnschichttechnik sind zudem noch verschiedenste Kombinationen von Solarzellen möglich, die gestapelt werden können, wodurch der Wirkungsgrad der Gesamtanordnung erhöht werden kann.

1. Siliziumzellen
   • Dickschicht
     • monokristalline Zellen (c-Si)
       hohe Wirkungsgrade (großtechnisch bis zu 20 Prozent Wirkungsgrad erzielbar, gut beherrschte Technik, allerdings erfordert die Herstellung einen sehr hohen Energieeinsatz, der sich deutlich negativ auf die Energierücklaufzeit auswirkt
     • polykristalline Zellen (mc-Si)
       inzwischen sind großtechnisch wohl Wirkungsgrade bis über 16 Prozent möglich, relativ kurze Energierücklaufzeiten, bisher und wohl auch noch einige Zeit die Zelle mit dem günstigsten Preis-Leistungs-Verhältnis
   • Dünnschicht
     • amorphes Silizium (a-Si)
     • kristallines Silizium
2. GaAs-Zellen
   hohe Wirkungsgrade, sehr temperaturbeständig, kleinerer Leistungsabfall bei Erwärmung als kristalline Siliziumzellen, stets noch sehr teuer in der Herstellung, werden häufig in der Raumfahrt eingesetzt
3. CdTe
   soll großtechnisch sehr günstig herstellbar sein, Wirkungsgrade bisher noch deutlich unter 10 %, Langzeitverhalten noch nicht bekannt,
4. CIS-, CIGS-Zellen

(Hersteller von Solarmodulen siehe Solarmodul)

• Astropower (Vereinigte Staaten Amerika), http://www.astropower.com/
• Deutsche Cell GmbH (SolarWorld AG-Tochter), Freiberg (Sachsen); http://www.deutschecell.de/
• ErSol Solar Energy AG, Erfurt (Thüringen); http://www.ersol.de/
• Isofoton (Spanien); http://www.isofoton.com
• Microsol Power Pvt. Ltd., Indien, http://www.microsolpower.com/
• Q-Cells AG, Thalheim (Sachsen-Anhalt); http://www.q-cells.com/
• RWE-Schott Solar GmbH, Heilbronn (Baden-Württemberg), http://www.rweschottsolar.de
• Shell Deutschland GmbH, Gelsenkirchen (Nordrhein-Westfalen); http://www.shellsolar.de

• http://www.solarserver.de/
• http://emsolar.ee.tu-berlin.de/indexpage.html